Давление эмв. Опыты п.Н. Лебедева, подтверждающие электромагнитную природу света
Согласно теории Максвелла ЭМВ переносят энергию, а, следовательно, и импульс, вследствие чего они должны оказывать давление на поверхность.
Найдем
формулу для давления ЭМВ при ее нормальном
падении в вакууме на полностью поглощающую
ЭМВ поверхность. Как известно давление
Р
равно отношению усредненной по времени
силы давления
к площади поверхности S.
Согласно
второму закону Ньютона сила давления
равна отношению импульса, переданного
поверхности электромагнитной волной
за промежуток времени Δt,
к этому промежутку времени. Учитывая,
что
- это объем электромагнитного поля,
который поглощается поверхностью за
время Δt,
а m
и
–
масса и энергия электромагнитного поля
объема
,
можно получить для давления ЭМВ следующую
формулу
,
или в общем случае для поверхности, которая не только поглощает, но и отражает ЭМВ, запишем
,
(6.62)
где введен коэффициент отражения R, он учитывает изменение давления ЭМВ на поверхность в случае частичного отражения ЭМВ от нее. При R =1 ЭМВ полностью отражается поверхностью.
Формула (6.62), полученная Максвеллом на основе его теории ЭМВ, была проверена экспериментально в опытах П.Н. Лебедева. Сначала в 1900 г. он определил давление света на твердые тела, а в 1910 г. – на газы.
Прибор Лебедева представлял собой крутильные весы, подвижной частью которых являлся легкий стержень с укрепленными на нем черными и светлыми дисками толщиной от 0,1 мм до 0,01 мм (рис. 6.17).
Если послать на такую установку ЭМВ, то тогда стержень будет поворачиваться, так как давление света на светлый диск в два раза превышает давление на черный диск. По углу поворота можно оценить вращающий момент, действующий на систему, и тем самым оценить давление. Угол поворота определяется с большой точностью отклонением по шкале прибора светового зайчика, отраженного от зеркальца. Объемную плотность энергии ЭМВ Лебедев измерял с помощью специального калориметра, он фиксировал повышение температуры калориметра, направляя на него в течение некоторого промежутка времени электромагнитное излучение.
Определяя
независимо давление Р
света и среднее значение объемной
плотности
ЭМВ, Лебедев показал справедливость
формулы (6.62) и тем самым экспериментально
доказал справедливость электромагнитной
природы света.
Рис. 6.17
Уникальность
опытов П.Н. Лебедева можно понять, если
оценить давление, которое оказывает
идущий от Солнца световой поток Ф
(он равен 86 Вт на 1 
)
на поверхность Земли
,
что значительно меньше атмосферного давления.
Также оказалось, что в опытах существенное влияние производит радиометрический эффект, в соответствии с которым освещенная сторона черного диска за счет поглощения света имеет более высокую температуру, чем неосвещенная. Вследствие этого скорости молекул вблизи этой стороны будут больше и при столкновениях с ней молекулы будут передавать этой стороне диска бо́льший импульс. Это создает добавочное давление на черный диск и приводит к искажению результатов опыта. Для устранения этого эффекта опыты проводились в глубоком вакууме, а толщина дисков выбиралась достаточно малой (до 0,01 мм).
Световое является одной из причин, обуславливающих появление хвостов у комет при значительном приближении их к Солнцу. В кометах из-за малых размеров частиц вещества их отталкивание световым давлением, пропорциональное площади поверхности частиц, превышает их притяжение гравитационным полем Солнца, пропорциональное объему частиц.